印宇軒，龍俞辰，覃 杰，陳良志

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230）

1 軟件介紹

Shipma 軟件是由荷蘭MARIN 航海中心和三角洲公司（Deltares）聯(lián)合開發(fā)的一款快速仿真（Fast-time）操船模擬程序，可快速模擬船舶在港口以及航道（包括內(nèi)河航道）中的操縱行為。有別于常見的實(shí)時(shí)仿真（Real-time）系統(tǒng)，F(xiàn)ast-time 系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：

1）建模速度快，運(yùn)行時(shí)間短；

2）配置要求低，試驗(yàn)成本小。

3）操作簡單，容易上手

因此，該系統(tǒng)特別適用于工程項(xiàng)目前期概念方案和投標(biāo)階段的方案比選，以及工程項(xiàng)目可行性研究和初設(shè)階段的方案論證。根據(jù)PIANC[1]中規(guī)定，采用理論計(jì)算方法[2-3]得到的航道寬度、深度等計(jì)算結(jié)果，還需要得到操船試驗(yàn)論證，該試驗(yàn)論證需涵蓋船舶外形、船首和船尾推進(jìn)器、拖船、基礎(chǔ)設(shè)施情況、環(huán)境條件[4-5]等相關(guān)因素，試驗(yàn)?zāi)M所得結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)優(yōu)化依據(jù)和限制作業(yè)條件被相關(guān)人員和單位所采納。特別的，在施工圖階段，應(yīng)該采用Real-time 系統(tǒng)對前期Fast-time 軟件模擬所得結(jié)果做最后論證。Shipma 作為一款Fast-time 仿真軟件，其在國外設(shè)計(jì)單位以及科研單位，尤其是歐洲地區(qū)具有較為廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，其模型試驗(yàn)運(yùn)行流程如下圖所示：

圖1 Shipma 模型流程圖

2 工程概況

某港口工程擴(kuò)建項(xiàng)目位于突尼斯東部哈馬馬特灣內(nèi)，項(xiàng)目內(nèi)容包括新建長2 000 m 集裝箱碼頭，兩條防波堤以及港池和航道疏浚。項(xiàng)目平面方案如下圖所示，該方案航道長1.85 km，寬350 m，疏浚水深-18.5 m。港池寬550 m，回旋圓直徑900 m，疏浚水深均為-17.5 m。南北兩條防波堤分別長800 m 和1 600 m，為拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，堤頭水深約-10 m。本項(xiàng)目為前期項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)中經(jīng)理論計(jì)算得出各平面尺度，最終通過Shipma 軟件進(jìn)行模型試驗(yàn)，對平面方案進(jìn)行論證。

圖2 平面布置圖

3 軟件模擬

3.1 設(shè)計(jì)船型

本項(xiàng)目所用船舶數(shù)學(xué)模型采用Shipma 操縱手冊[6]中推薦的Abkowitz 水動力模型，考慮風(fēng)、浪、流以及水深和船舶吃水等影響。設(shè)計(jì)船型參數(shù)如表1 所示。

表1 設(shè)計(jì)船型輸入條件

設(shè)計(jì)船型對應(yīng)航速特征值如表2 所示：

表2 設(shè)計(jì)船型航速特征值

該船型最大舵角為35°，同時(shí)為了保證船舶航行安全，舵的操作需控制在最大值的70 %以內(nèi)。

3.2 拖輪

本項(xiàng)目采用2 艘65 t 的ASD（Azimuth stern Driven）型拖輪配合船舶進(jìn)港和離港作業(yè)，具體拖輪參數(shù)如表3 所示：在Shipma 中，拖輪對設(shè)計(jì)船型施加的作用主要通過力矩的形式添加到模型中，該力矩大小和拖輪類型，航行速度以及船身系船柱（受力點(diǎn)）位置有關(guān)。此外，拖輪的最大功率被限定為額定功率的70 %，以保證操作安全，1.5 m 波高則被認(rèn)為是拖輪作業(yè)的極限波高。對于設(shè)計(jì)船舶來說，可捕獲拖繩和獲得拖輪幫助的最大速度為6 節(jié)，相應(yīng)的操作時(shí)間通常假定為10-15 分鐘。

表3 拖輪參數(shù)

3.3 環(huán)境條件

環(huán)境條件中對船舶運(yùn)動影響最大的因素是風(fēng)、浪和潮流，它們直接影響船舶通行和碼頭可作業(yè)率[7]判定的準(zhǔn)確性，因此相關(guān)數(shù)據(jù)輸入的準(zhǔn)確性要求也是最高的，所以在進(jìn)行模擬前，應(yīng)具備至少一年項(xiàng)目所在地的實(shí)測氣象、水文和氣候資料。

1）風(fēng)

本項(xiàng)目主風(fēng)向?yàn)镋SE 向，風(fēng)速14.1 m/s，風(fēng)力作用對整個(gè)區(qū)域的作用視作均布荷載，忽略地形地勢等對風(fēng)力的影響。

2）浪

本項(xiàng)目主浪向同風(fēng)向一致，也為ESE 向，波高2.7 m，周期7 s。

3）潮流

該項(xiàng)目防波堤以北區(qū)域流速最大值為1 m/s，防波堤以南區(qū)域流速最大值為1.5 m/s。風(fēng)浪流整體情況如圖3 所示：

圖3 風(fēng)、浪、流場示意圖（黑色、紅色、綠色箭頭分別表示風(fēng)、流、浪）

3.4 操縱定義

操縱定義主要包括航行軌跡定義和自動駕駛程序定義，可以根據(jù)實(shí)際情況將軌跡定義和自動駕駛程序定義按不同階段劃分。在Shipma 中，船舶由自動駕駛儀操縱，該自動駕駛儀可以在航跡保持和港口操縱模式下操縱，從而可以實(shí)現(xiàn)一些典型的港口操縱模擬，如加速、減速、轉(zhuǎn)彎和掉頭等。本項(xiàng)目船舶進(jìn)港和出港操縱定義如表4 所示：

表4 操縱定義表

4 方案論證

4.1 計(jì)算結(jié)果

對該軟件計(jì)算結(jié)果分析主要圍繞船舶維持既定航行軌跡行駛的能力，即為了維持軌跡而使用的外部力量，包括船舶自身舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速，拖輪功率等是否超過額定值。如使用的外部力量未超過各輔助操縱指標(biāo)額定值，則認(rèn)為該船舶可以安全的通行，反之，則認(rèn)為該船舶無法安全通行，需要對平面方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。計(jì)算結(jié)果輸出主要包括四部分內(nèi)容；船舶航行軌跡圖、船舶作業(yè)曲線、前拖輪作業(yè)曲線和后拖輪作業(yè)曲線（螺旋槳轉(zhuǎn)速、船速和舵角隨航行路程變化曲線）。從軌跡圖中可以看到，在進(jìn)入口門之前，為最大程度抵抗ESE 方向的風(fēng)和浪，其船頭與航道軸線呈一定角度，在進(jìn)入口門之后，在拖輪的協(xié)助下，船頭逐漸轉(zhuǎn)向軸線方向，船舶順著航道軸線駛?cè)敫鄢貎?nèi)部，整個(gè)過程未發(fā)生船舶偏航的情況，船舶作業(yè)曲線也同樣反映了這點(diǎn)。船舶航行軌跡如圖4 所示。

圖4 船舶航行軌跡圖

4.2 結(jié)果分析

通過計(jì)算得知，本次船舶維持既定航線通行所需外力大小并未超過各輔助操縱指標(biāo)額定值，且在滿足以下條件時(shí)，船舶可以安全的進(jìn)行靠離泊作業(yè)：船舶在進(jìn)入口門之前，船速需降至6 節(jié)，以便拖輪靠船作業(yè)，同時(shí)舵角轉(zhuǎn)向10 度以抵抗波浪和潮流的作用。拖輪在船舶完全進(jìn)入口門后10 分鐘完成靠船作業(yè)，開始協(xié)助船舶減速和掉頭。在此期間內(nèi)，船舶需調(diào)整推進(jìn)方向往相反方向完成減速，該調(diào)整時(shí)間為10 s。船舶進(jìn)入回旋圓之后，后拖輪開始拖動船舶進(jìn)行掉頭轉(zhuǎn)向作業(yè)，拖力約540 kN，整個(gè)掉頭時(shí)間約5 分鐘，在此期間內(nèi)，船舶航行距離600 m，約2 倍船長，整個(gè)作業(yè)過程中，拖輪作業(yè)功率不超過額定功率70 %，船舶轉(zhuǎn)向舵角不超過最大轉(zhuǎn)向舵角35°的70 %。

5 結(jié)語

1)Shipma 軟件操作包括設(shè)計(jì)船型輸入、拖輪參數(shù)輸入、風(fēng)浪流自然條件輸入、地形地質(zhì)參數(shù)輸入、航行軌跡輸入、自動駕駛程序輸入等步驟。輸出成果包括船舶航行軌跡圖、船舶作業(yè)曲線圖、前拖輪作業(yè)曲線圖和后拖輪作業(yè)曲圖，最終通過船舶維持既定航行軌跡行駛的能力來判斷船舶是否可以安全完成進(jìn)出港作業(yè)。

2)Shipma 軟件可以以較低的時(shí)間成本、人力成本和經(jīng)濟(jì)成本完成操船試驗(yàn)，特別適合項(xiàng)目前期概念設(shè)計(jì)階段、投標(biāo)階段、工可和初設(shè)階段的方案比選和論證。在利用規(guī)范進(jìn)行理論計(jì)算得到各平面尺度之后，通過Shipma 軟件進(jìn)行快速仿真模擬，對各尺度進(jìn)行論證和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以為方案設(shè)計(jì)可靠性提供更有力的依據(jù)。

3)有別于Real-time 仿真系統(tǒng)，Shipma 軟件采用的是Fast-time 仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)不需要船長或引航員實(shí)際參與船舶駕駛，僅需軟件操作人員根據(jù)實(shí)際情況按船舶航行不同階段擇機(jī)選擇不同的駕駛程式（操作指令），由電腦程序自行完成船舶駕駛即自動駕駛程序。但在施工圖階段，仍需要通過Real-time 仿真系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，對平面方案進(jìn)行最終驗(yàn)證。

我國目前設(shè)計(jì)單位較少擁有進(jìn)行船舶操縱模擬試驗(yàn)的人員和設(shè)備，當(dāng)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中涉及相關(guān)科研試驗(yàn)時(shí)，主要依托各大院校和科研機(jī)構(gòu)完成，而上述單位又主要以Real-time 仿真程序?yàn)橹?，較少配備Fast-time 系統(tǒng)。這就使得一些前期項(xiàng)目、投標(biāo)類項(xiàng)目在時(shí)間和資金本不充裕的情況下，僅能依靠理論計(jì)算方法得到計(jì)算結(jié)果，這在海外工程項(xiàng)目中存在較大的不利影響。一方面，很多海外項(xiàng)目業(yè)主在項(xiàng)目前期就要求承包商完成必要的科研論證工作，設(shè)計(jì)單位僅通過理論計(jì)算得到的結(jié)果無法得到業(yè)主認(rèn)可，不滿足標(biāo)書要求。另一方面，理論計(jì)算所得結(jié)果大多較為保守，這對于競爭激烈的海外現(xiàn)匯投標(biāo)類項(xiàng)目來說是非常被動的。

綜上所述，本文運(yùn)用Shipma 軟件，以實(shí)際工程項(xiàng)目為例進(jìn)行操船試驗(yàn)，模擬船舶進(jìn)出港全過程，所得結(jié)果翔實(shí)可靠，可為同類工程設(shè)計(jì)提供很好的參考價(jià)值。